风力发电并网技术及电能质量控制策略

蒋友伟

东方电气风电有限公司 四川德阳 618000

1 风力发电的基本原理

风力发电主要利用风力发电机组将风能转化为机械能，而后再将转化而来的机械能变成电能。在风力发电过程中所使用的设备装置统一称为风力发电机组，而此发电机组又可以细致划分为风轮、机舱和塔架三个部分。其中把风能转化为机械能最主要依靠的就是风轮装置，主要由两片或两片以上的螺旋桨形状的桨叶构成。当桨叶受到风的作用时，在桨叶上产生气动力来促使风轮的转动。

一般小型的风力发电机组都具有较高的发电效率，但是这类发电机组不仅只是由一个发电机构成，是一个具备一定科技水平的系统，系统内包括发电机和变流器。一般风力发电机都是由桨叶、轮毂（含变桨系统）、机舱（含主轴-增速机-联轴器组成的传动链、发电机、主控系统、偏航系统、液压系统、冷却系统等）、塔架（含变流器）这几个结构组成，这几个部分每个都有其作用。风力发电机的叶片主要受到风力的作用，并且通过发电机将其转化为电能，偏航系统通过机舱外面安装的测风系统所测量的风向能够确保风轮始终对着风向以获得风最大的作用力，风力发电机的偏航系统为机组的正常工作提供了保障，通常转子所使用的都是永磁体或者励磁体，通过定子绕阻切割磁力线最终产生电能。[1]

2 风力发电并网技术

2.1 风力发电发电系统结构

风力发电并联组成的分散式结构是风力发电发电系统的主要结构。小型的分散式发电系统中包括多种能源的组合供电，如太阳能、风能，而这些供电设施只有通过逆变并联的方式才能与微型公共电网连接。

2.2 电力电子技术的关键部件

（1）并网逆变器。电力电子变化器的作用是连接燃料电池、风机与微网，若是系统中没有这一逆变器，那么这三者将无法连接在一起。根据实际情况，系统中的逆变器有时是单独的一个逆变器，有时是整流器与逆变器的结合体。

（2）静态开关。静态开关相当于一种保护装置，当系统在运行过程中出现问题时，它可以及时发现并识别问题，主动将微网转换成孤岛状态，以保障系统的安全，并在问题得到解决后，重新连接微网与主网，使系统可以正常运行。

（3）电能质量控制装置。任一单元的接入都会对电能质量产生影响，如果对其控制不当，会给电压波形、功率因数、频率等带来不好的影响，因此，电能质量综合监控技术是保证微网安全平稳运行的一种重要技术。

2.3 微网技术

微网运行控制。微网系统具有扰动能力比较差的问题，具有诸多自然资源不能控制的特征，其在时间以及风力大小等方面都会对微网系统的安全性带来一定的影响，要求对系统加强重视。微网故障检测以及保护，在当前时代发展进步下，在微网系统发展中有着单向和双向潮流，因此一般的传统保护措施已经没有办法满足其效果[2]。

其对将风力发电或者是可再生能源作为主要构成部分的分布式并网系统来说，可以通过微网进行控制和调节，在微网中并网过程中合理解决面对的负面问题。进而也会实现有效降低分布式电网并网其对电网整体造成干扰。微网通常都是将负荷、分布式微源、控制系统等组成，作为一种小型的配电网络，可以依据其不同需求来做好能量管理工作。

3 电能质量控制策略

3.1 电能质量的分析方法

根据目前稳态电能质量问题解决的状况分析，主要利用时域分析法，这种方法可以对电压偏差与谐波偏差等量进行较为精确的分析，从而有效解决稳态电能质量问题，并且快速傅里叶变换和离散傅里叶变换都是已经成为分析谐波的重要方法。但如果谐波变化超过一定范围，傅里叶变换就无法发挥应有的作用，基于此，部分学者提出通过小波分析，可以更为精准的对变化较快的谐波进行提取并分析，具有较高的实时性与适用性。

由于动态电能质量问题具备随机性以及暂态性等特点，因此在解决此类问题时时域分析法不再适合，如今常用的分析方法包括短时傅里叶变换、小波分析以及基于快速s变换等，而小波分析法具有对函数或特征量进行多尺度分析的优势点，所以在分析电压跌落和电压闪变等问题时比傅里叶变换更有优势，这也在一定程度上弥补了傅里叶变换在分析应用中的缺点[1]。

3.2 控制电能质量的方法

一般而言，暂态性及快速性是当前电能质量的基本特点。因此在进行电能质量设备治理上，需要严格使用精准的控制技术进行。传统PID控制方法大量地被应用于实际工程应用中，但该方法存在明显弊端，即抗负载能力较低和动态响应能力差，因此不能解决电能质量存在的问题。部分学者提出采取无差拍控制结合自适应和模糊逻辑控制，从而进一步强化动态响应能力。目前来看这种方法较其他而言比较简单，且动态能力较其他也相对较强，但其开关频率的随机性较大。在实际操作过程中，使用无差拍可以有效减少误差值，但不利之处在于计算能力要求非常严格。由于以上的方法都有相应的优劣，因此可以将这几种方法相应结合，取长补短，来满足对于系统和用户侧电能质量的要求。

风能的开发受到国家与社会的一致关注，与风电相关的技术在迅速发展。伴随着风电与配电网之间关系越加密切，风电并网所引起电压稳定的相关问题也越来越受到人们的密切关注。因此风电并网对电能质量造成影响的治理措施，主要通过加装无功补偿装置来对风电场进行电能质量治理。